Nekaj značilnosti in problemov ™ v proizvodnji nerjavnih jekel Janez Kovač Pri izdelavi in predelavi nerjavnih jekel pogosto nastajajo težave, za katere obstaja več vzrokov. Ena glavnih nevšečnosti, ki povzroča slabo plastičnost in s tem slabo predelovalnost teh jekel, je pojav delta ferita. V članku je kratek opis nastanka in vplivov delta ferita na plastičnost pri nerjavnih jeklih. Zbranih je nekaj rezultatov dosedanjih raziskav na tem področju. Na koncu so navedene ugotovitve raziskave nerjavnega jekla Č. 4570 (pro-kron 2 special) v Železarni Ravne v zvezi s preoblikovalno sposobnostjo, odvisno od vsebnosti delta ferita. UVOD Nerjavna jekla so obstojna proti koroziji zaradi povečane vsebnosti kroma, ki tvori na površini oksidno plast, nepropustno proti nadaljnji koroziji. Z dodatkom niklja in molibdena še bolj povečamo pasivnost jekla proti korozijskim medijem. Kljub temu še obstaja možnost interkristalne korozije. Nevarnost pojava interkristalne korozije je največja pri naslednjih pogojih: — če je vsebnost ogljika tako velika, da se pri toplotni obdelavi kromovi karbidi ne raztopijo popolnoma; — če jeklo pri toplotni obdelavi ogrevamo v območje kritičnih temperatur (500—900 °C), kjer nastopa po mejah kristalov izločanje karbidov. Važen pogoj za zahtevno korozijsko obstojnost je čim manjša vsebnost ogljika, ker v nasprotnem primeru izločeni karbidi zmanjšujejo vsebnost kroma v osnovni masi in s tem korozijsko obstojnost jekla. Z začetkom proizvodnje ferokroma z nizkim ogljikom so že leta 1930 uspeli proizvesti krom-nikljevo jeklo z 0,03 % C, medtem ko v zadnjih desetletjih krom-nikljevo jeklo z vsebnostjo 0,03 % C ni več redkost. Zaradi težav pri izdelavi in predelavi krom-nikljevih jekel z ustrezno nizko vsebnostjo ogljika se je uveljavila proizvodnja stabiliziranih vrst nerjavnih jekel, pri katerih je del ogljika vezan s titanom, tantalom, niobijem ali z drugim elementom v stabilnejše in manj škodljive karbide. Obstaja več vrst nerjavnih jekel. Delimo jih glede na odpornost proti koroziji in ognjeodpornost ter glede na različne mehanske lastnosti. Nadalje jih razdelimo po strukturi na feritna, martenzitna Janez Kovač je diplomirani inženir metalurgije in raziskovalec za plastično predelavo ijekel v Železarni Ravne. in avstenitna jekla. Nerjavna jekla avstenitnega tipa imajo največje področje uporabe. Kljub temu tudi ostale vrste uporabljamo v tehniki dokaj pogosto. Izdelava in predelava jekla V proizvodnji nerjavnih jekel je največji problem izdelati talino ter ingote, ki so sposobni za nadaljnjo predelavo. Ocenitev plastičnosti lite strukture je precej nezanesljiva zaradi mnogih vplivnih dejavnikov, kot so: temperatura in čas litja, cblika in dimenzija ingota, način zalaganja in ogrevanja ingotov itd. Glavni problem plastične predelave teh jekel so površinske napake, ki zmanjšujejo plastičnost zaradi dvofazne strukture. Večina napak nastaja na površini valjancev, posebno na robovih. Na sliki 1 so prikazane raztrganine Slika 1 Raztrganine na površini gredice Fig. 1 Puliš on the surface of a billet na površini gredice. Nastale razpoke so večinoma prečne in njihov začetek praviloma sledi kristalnim mejam. Pri plastični predelavi, na mejah med alfa in gama fazo, nastopajo napetosti, in zato je dvofazna struktura glavni vzrok slabe plastičnosti nerjavnih jekel. Znano je, da ima na tvorbo alfa faze v nerjavnih jeklih odločilen vpliv kemijska sestava jekla in režim ogrevanja ingotov. Temperatura litja, oblika in dimenzija ingotov prav tako močno vplivajo na količino alfa faze, oziroma na vsebnost delta ferita. V jeklih, pri katerih je razmerje med kromom in nikljem veliko, in v jeklih, legiranih z Mo, Al, Ti ali Nb, vedno nastopi določena količina delta ferita. Dejavniki, ki vplivajo na nastanek alfa faze, so naslednji: a) Tekočnost taline je odločilnega pomena za vlivanje in ima neposredni vpliv na kakovost površine ingotov. Tekočnost taline, ki je pri visokolegi-ranih nerjavnih jeklih ne moremo vedno zagotoviti v ustrezni meri posredno s kakovostjo površine ingotov, močno vpliva na potek plastične predelave. b) Struktura ingotov po strjevanju Vzdolžni presek ingotov nerjavnih jekel kaže po strjen ju dve karakteristični coni. Prva je ena-koosna in je sestavljena iz drobnih kristalov, druga pa je transkristalna. Vsekakor pa obstaja ozka povezanost odvisnosti plastičnosti od tipa strukture, čeprav ni točno določeno, katera struktura je boljša za plastično predelavo. Iz dosedanjih raziskav razporeditve alfa faze po prečnem in vzdolžnem preseku ingota lahko zaključimo naslednje: — neposredno pod površino ingota je vsebnost alfa faze minimalna celo pri talinah, ki so glede kemijske sestave nagnjene k izločanju večjih količin alfa faze; 0-10% ferita 10 -20% ferita 20-50% ferita nad 50% ferita 0 2 4 6 8 10 12 U 16 18 20 22 24 26 Vsebnost Cr v % Slika 2 Strukturni diagram Cr-Ni jekel* Fig. 1 Structure diagram of Cr-Ni steel6 Slika 3 Razpoke na površini valjanca Fig. 3 Cracks on the surface of the rolled piece — vsebnost alfa faze se povečuje od površine v notranjost ingota in — po vzdolžnem preseku ingota ne nastopajo bistvene razlike v vsebnosti alfa faze. Z raziskavami je ugotovljeno, da neenakomerna porazporeditev alfa faze nastopa zaradi različne porazdelitve temperature v prečnem preseku ingotov, ko se jeklo ohlaja v kokili. Na površini ima alfa faza globularno obliko, medtem ko je v sredini ingota izločena po mejah kristalov hkrati s kromovimi karbidi. c) Kemijska sestava jekla Kemijska sestava ima bistven vpliv na strukturo jekla. Nerjavna jekla prištevamo k najbolj razširjenemu štirikomponentnemu sistemu. Krom ima prostorsko centrirano kubično mrežo in stabilizira alfa fazo, medtem ko ima nikelj ploskovno centrirano kubično mrežo in stabilizira gama fazo. Za razliko od ogljika nikelj ne zmanjša vsebnosti kroma v trdni raztopini. Elementi, ki pospešujejo tvorbo alfa faze, so naslednji: Cr, Si, Mo, Al, Ti, Nb, Ta in P, medtem ko C, Ni, Mn in N, pospeštt-jejo tvorbo gama faze. Določitev vpliva posameznih elementov na strukturno sestavo teh jekel je zelo težavna. Dodatek niklja Cr-Ni zlitinam razširi gama območje. Pri določeni vsebnosti niklja se premena gama faze v alfa popolnoma prepreči in tako dobimo jeklo z avstenitno strukturo. Pri vmesnih vsebnostih, ko njegova vsebnost ne zadošča za nastanek popolne avstenitne strukture, dobimo avstenitno — feritno, avstenitno — imartenzitno ali mar-tenzitno jeklo z večjo ali manjšo vsebnostjo avste-nita. Na sliki 2 je prikazan strukturni diagram Cr-JMi jekla z 0-1—0,13 % C, 0,3—0,48 % Mn in 0,23 do 0,37 % Si. Kot je že navedeno, je za odstranitev možnosti pojava interkristalne korozije potrebno Cr-Ni av-stenitnim jeklom dodajati v določenem odnosu do ogljika titan ali niobij. Dodatek titana ustreza 4,0 do 5,5-kratni vsebnosti ogljika, medtem ko je dodatek niobija enaik 8 do hkratni vsebnosti ogljika. Vpliv dvofazne strukture Medtem ko so majhne vsebnosti delta ferita manj škodljive za plastično predelavo, so vsebnosti delta ferita nad 10 % zelo neprijetne, in torej neposredno vplivajo na plastičnost teh vrst jekel. Razpoke, ki nastajajo pri vroči preedlavi, povzročijo feritni delci zaradi različne plastičnosti alfa in gama faze. Negativni vpliv delta ferita na plastičnost nerjavnih jekel lahko pripisujemo preoblikovalnim lastnostim in rekristalizacijskim hitrostim avstenita in ferita, ki sta osnovni strukturi teh jekel. Na sliki 3 sta prikazana dva tipična primera razpok na površini gredic pri plastični predelavi. Nastanek delta ferita V jeklih z visoko vsebnostjo kroma in v avste-nitnih Cr-Ni jeklih skoraj vedno nastopa delta fe-rit. Nerjavna jekla avstenitno — feritnega in avstenitno — martenzitnega tipa vsebujejo neko določeno količino delta ferita. Delta ferit se pojavlja in ostane v strukturi nerjavnih jekel odvisno od sestave, temperature in stanja predelave. Pri avstenitno — feritnih jeklih je prisoten v celem temperaturnem intervalu od strdišča do sobne temperature in je njegov nastanek pogojen predvsem s kemično sestavo jekla. Temperaturni interval pojavljanja je najizrazitejši v območju visokih temperatur toplotne in vroče predelave 900—1250 °C. Nagnjenje jekla k tvorbi delta ferita je precej odvisno od kemične sestave. Vpliv posameznih elementov na strukturno sestavo je mogoče približno izraziti z njihovim ekvivalentnim vplivom v odnosu na vpliv Cr in Ni. Ti ekvivalentni vplivi izražajo minimalno potrebno vsebnost določenega elementa na popolno preprečitev pojava alfa faze, oziroma gama faze. Z ozirom na zapletenost vpliva različnih dejavnikov na pojav in vsebnost delta ferita obstaja več načinov določevanja. Večina je osnovana na empiričnih podatkih in se rezultati posameznih načinov med seboj razlikujejo. Eden od najbolj uporabljenih načinov je znani Schaeffler-jev diagram, ki je prikazan na sliki 4. 28 Ž 24 £ 20 <3 ž 72 ^ 8 s? \ S Avste nit M s* os X s N iC A+M C—J/ H iS A+b erit Martenzit in0°/°i \ M+F herit 1 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 CrEk=% Cr+2,5x% Si* l,8x % Mo+2x % Nb Slika 4 Schaefflerjev strukturni diagram' Fig. 4 Schaefler's structure diagram1 1800 1600 1400 1400 1000 % Ni 25 20 15 10 V.Cr- Slika 5 Ravnotežni diagram stanja sistema Fe-Cr-Ni2 Fig. 5 Phase diagram of the Fe-Cr-Ni system2 Pri konstrukciji diagrama so upoštevani najbolj pogosti legirni elementi ter elementi stabilizatorji, ki vežejo C in N v stabilno obliko karboni-tridov, ki so tudi pri visokih temperaturah netop-ni v osnovni avstenitni masi. Vpliv temperature na nastajanje delta ferita je predvsem pomemben v čistih avstenitnih jeklih, nekaj manj pri avstenitno — feritnih in avstenitno — feritno — martenzitnih jeklih. Nastajanje delta ferita v območju visokih temperatur lahko zasledujemo na sliki 5, ki predstavlja poenostavljen diagram stanja ternarnega sistema Fe-Cr-Ni. Resnično stanje v jeklu je mnogo bolj zapleteno zaradi vpliva ostalih elementov. Diagram nam kljub temu omogoča razumevanje mehanizma nastanka delta ferita in pogojev, v katerih delta ferit nastopa v strukturi nerjavnega jekla. Vpliv delta ferita na plastično predelavo Plastičnost nerjavnih jekel je odvisna od temperature, časa ogrevanja, vsebnosti delta ferita, litega stanja ter topnosti ogljika, oziroma karbidov v odvisnosti od temperature. Ogljik že v majhnih količinah vpliva na obstojnost posameznih faz in pri višjih temperaturah širi gama fazo in prehaja v trdno raztopino. Povečanje temperature nad območje obstoja homogenega avstenita omogoča pojav delta ferita. B C a S N? ON Cas žarjenja 3ure C Si Mn Cr Ni Mo Nb - 004 064 T55 1816 1215 240 030 - \ O / O / N^ o / -1-L-1---1- _l- 1 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 -— Temperatura (°C) 1300 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 -— Čas (h) Sliika 7 Vpliv časa na vsebnost delta ferita2 Fig. 7 Time influence on the amount of delta ferrite' kem določenem času maksimalno vsebnost, ki se nato pri še daljših časih bistveno ne spreminja. Oba efekta, tako temperatura kot čas, sta podvržena vplivu sestave jekla (slika 7). V železarni Ravne smo raziskovali vpliv vsebnosti delta ferita na predelovalno sposobnost jekla Č 4570 (Prokron 2 sp.). Zasledovali smo 23 šarž tega jekla v redni proizvodnji. Kemijska sestava Slika 6 Vpliv temperature na vsebnost delta ferita2 Fig. 6 Temperature influence on the amount of deltaferrite: V temperaturnem območju 400—900 °C se vsebnost delta ferita litega stanja skoraj ne omenja, nastopa samo minimalno izločanje karbidov. Do temperature 1200 °C se vsebnost delta ferita postopoma zmanjšuje, medtem ko se v temperaturnem območju 1250—1300 °C postopoma povečuje. Povečanje vsebnosti delta ferita se pričenja na kristalnih mejah in se širi v notranjost ingota. V ingotu poteka najhitreje premena alfa faze v gama v površinskem sloju, ker je v njem avstenit manj stabilen in teži k izravnavi vsebnosti alfa faze površinskega sloja in jedra ingota. Tudi rezultati preiskav,2 izvršenih na jeklu Č 4582 (prokron 11 Nb), ki so prikazani na sliki 6, potrjujejo prej navedene ugotovitve o spremembi delta ferita s temperaturo. Iz diagrama je razvidno, da z naraščanjem temperature vsebnost delta ferita pada, od temperature 1200 °C pa začne spet občutno naraščati. Podoben efekt kot temperatura ima tudi čas zadržanja na temperaturi. Pri daljših časih se začne vsebnost delta ferita večati in doseže po ne- . «> V* ■ v . 'i., ' ' ... " ' : . ■ ► -f*.*- •• -C'.-' . -- V.--' '< •- .. ' ' - ' > * ' . ' /. ; ^ v • Slika 8 Primer mikrostrukture jekla Č 4570 (Prokron 2 sp.) v valjanem stanju (pov. 200 X) Fig. 8 An example of the microstructure of the Č. 457C steel (prokron 2 sp.), as rolled. Magnification 20C x . . „ ..... ; , .. . • ■( -v y y. ... Sfi ..... * ' ' ...'■ Slika 9 Primer mikrostrukture jekla Č 4570 (Prokron 2 sp.) v valjanem stanju (pov. 200 X) Fig. 9 An example of the microstructure of the C .4570 steel (prokron 2 sp.), as rolled. Magnification 200 x šarž je bila v predpisanih mejah, in sicer 0,17 do 0,22 % C, 0,006 — 0,030 % S, 0,30 — 0,55 % Si, 16,30 do 17,40 % Cr, 1,98 — 2,65 % Ni, 0,54 — 0,69 % Mn in 0,03 — 0,20 % Mo. Ugotovljeno je bilo, da na vsebnost delta ferita v jeklu razen temperature in časa ogrevanja precej vpliva sestava jekla, četudi je znotraj predpisanih mej. Pri nižjih vsebnostih delta ferita (manj kot 10 %) pri plastični predelavi X12--f(X<) XQ= 28t,515-3,l31XŽ * 0,127X1 - 2^ N = 23 R2-0,27 Sy=1,13 P =90,0% R =0,52 X12 = f(X5) X,2 = 10,195-3,008X5 1:2,3 N= 23 R2=0,19 P =95,0% R =0,43 Sy = 1,17 16,0 16,2 16,4 16,6 16,8 17,0 17,2 17,4 17,6 17,8 18,0 % Cr -— X, Slika 10 Vpliv kroma na tvorbo delta ferita v jeklu Č 4570 (Prokron 2 sp.) Fig.10 Influence of chromium on the formation of delta ferrite in C. 4570 steel (prokron 2 sp.) 16 17 H-"H-h 1,9 2,0 2,1 %Ni 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 — Slika 11 Vpliv niklja na tvorbo delta ferita v jeklu C 4570 (Prokron 2 sp.) Fig. 11 Influence of nickel on the formation of delta ferrite m C. 4570 steel (prokron 2 sp.) X,2 = f(X,X2X3X4X5 XSX7X8J X,2=474,569+767.903 X, -2009.019 X?+104j053 X7- - 94,503 X7+34,219X3~49,93 X3 72,089X^2,248X\t1,3 N=23 P=99% R =0,82 R2 =0,91 5y=0j6 met. ocena cT ferita ___ ___ X1 -a/oC X3=°/oSi Xi=%Cr X7=Vo Mn X,2=met. ocena / ferita 16,8 17.2 % Cr- Q19 020 V o C- Slika 12 Nomogram vpliva Cr, Si, C in Mn na tvorbo delta ferita v jeklu C 4570 (Prokron 2 sp.) Fig. 12 Nomogram of the influence of Cr, Si, C, and Mn on the formation of delta ferrite in C. 4570 steel (prokron 2 sp.) ni bilo težav, medtem ko smo pri višji vsebnosti (okoli 15 °/o) opazili razpoke na površini valjanca (glej sliko 3). Na osnovi ikemijsike sestave šarž smo določili pričakovano vsebnost delta ferita s Schaefflerje-vim diagramom. Obenem smo z metalografskim pregledom struktur ocenili vsebnost delta ferita po GOST 11878. Primerjava dobljenih rezultatov ne kaže večjih odstopanj. Na sliki 8 je prikazana vsebnost delta ferita, ki ustreza po tabeli GOST oceni 2; oziroma 2—4 % in na sliki 9 vsebnost delta ferita z oceno 7, ki ustreza vsebnosti 15—18 %. Z matematično — statistično analizo porazdelitve in regresije smo določili vpliv posameznih elementov na tvorbo delta ferita in s tem na predelovalno sposobnost tega jekla. Rezultati analiz so prikazani na slikah 10, 11 in 12. Na sliki 10 je prikazan diagram vpliva kroma na vsebnost delta ferita, iz katere je razvidno, da povečana vsebnost kroma močno zvišuje vsebnost delta ferita, to pa poslabša plastičnost jekla. Vpliv niklja na tvorbo delta ferita prikazuje slika 11. Z nomogramom na sliki 12 so prikazani vplivni elementi na tvorbo delta ferita v jeklu Č 4570 (Pro-kron 2 sp.). Tako lahko ugotovimo najugodnejšo kemično sestavo za čimnižje vsebnosti delta ferita in za zagotavljanje zadovoljive plastičnosti pri predelavi. Zaključek: Skupina nerjavnih jekel je v tehniki zastopana z veliko vrst jekel, ki se pri izdelavi in predelavi različno obnašajo. Glavni problem predelovalnosti nerjavnih jekel so karakteristične napake (raztrganine na površini), ki so v glavnem posledica dvofazne strukture. Raziskave nekaterih vrst teh jekel so pokazale, da je za uspešno izdelavo in predelavo potrebno izpolniti nekatere pogoje, kot so: 1. kemična sestava mora biti takšna, da ima jeklo v litem stanju manj kot 10% alfa faze (delta ferita); 2. ogrevanje nerjavnih jekel mora biti v predpisanem območju temperature (1160—1230"C) in časa; 3. obstaja možnost ugodne kombinacije kemijske sestave za jeklo Č 4570 (Prokron 2 sp.) znotraj predpisanega območja za dosego čimnižje všehnosti delta ferita in s tem izboljšanje plastičnosti jekla. Literatura: 1. Raoatz F., Die Edelstahle, Berlin, Springer Verlag 1962, str. 599—607 2. Jezeršek A.: Problematičnost določevanja nastajanja delta ferita v avstenitnih nerjavnih jeklih, Železarski zbornik 1970, št. 2 3. Božič B.: Fizičika metalurgija, Beograd 1964, str. 425 do 429 4. Schaeffler: Metal Progress 1949, str. 680 5. Zajkov M. A.: Režimi deformaci i usilija pri gorjačej prokatJke, Sverdlovsk, Metallurgizdat 1960 6. Vizjak F.: Vpliv alfa faze na plastičnost CrnNi avstenit-nih jekel, Železarski zbornik 1972, št. 4 7. Stocca B.: Vzroki slabe plastičnosti jekel tipa 18/8, Železarski zbornik 1972, št. 1 ZUSAMMENFASSUNG Die Gruppe der nichtrostenden Stahle besteht aus einer grossen Zahl verschiedenartiger Stahle, vvelche sich bei der Erzeugung und Verarbeitung auch ganz verschie-den betragem. Das vvichtigste Problem bei der Warmver-formung der nichtrostenden Stahle sind Oberflachenfehler vvelche als Folge eines zvveiphasigen Gefiiges sind. Die U.ntersuchungen an einigen Stahlsorten zeigen, dass fiir eine erfolgreiche Erzeugung und Verarbeitung folgende Bedingungan erfiillt sein miissen: 1. Der Sitahl soli eine solche chemische Zusammen- setzung aufvveisen, dass im Gusszustand vveniger als 10% des Delta-Ferrites enthalten sind. — 2. Die Ervvarmung der nichtrostenden Stahle soli im vorgeschriebenem Temperaturbereich von 1160 bis 1230 "C und vorgeschribener Zeit erfolgen. — 3. Im Bereich der vorgeschriebenen Analysengren-zen ist es beim Stahl Č 4570 (Prokron 2 sp.) moglich die chemische Zusammensetzung so zu vvahlen, dass ein n:e-driger Delta-Ferritgehalt und damit eine gute Verformbar-keit gevvahrieistet vvird. SUMMARY The group of stainless steel consists of a great num-ber of steels vvhich behave differently in manufacturing and vvorking. The main problem in vvorking stainless steel are the characteristic defects (pulls one the surface) vvhich 'are mainly the consequence of the two-phase structure. Investigations of some steel types shovved that some con-ditions must be fulfilled for successful manufacturing and vvorking: — chemical composition must be such that steel, as čast, contains less than 10% alpha phase (delta ferrite), — heating of stainless steel must be in the prescribed temperature (1160 to 1230 °C) and tirne range, — the possibility of favourable combination of chemical composition of Č.4570 (Prokron 2 sp.) exists inside the prescribed range to obtadn the lowest posiible delta ferrite content and thus the improved plasticity of steel. 3AKAK)^EHHE rpynna Hep>KaBeiomHX CTaAefi coaep^cht SoAtmoe hhcao MapoK CTaAH, noBeAeHHe kotophx npn nepepaSoTKe Becb\ia pa3AHHHo. taab-hwh Bonpoc, hto kacaetch o6pa6aTbiBacMocTH hep^a3HaH CTpyKTypa. HccAeAOBaHH« HeKOTOpbix MapoK 3thx CTaAeft noKa3aAH, hto aah oSecneneHHH ycnemHoro h3r0t0baehhh h nepepaSoTKH CTaAen HaAO BbinoAHHTb COOTBeTCTBYK)mHe YcaObh^» a HMeHHO: — 1. PacnAaB ctaah, hto KacaeTca xhmhheckoro cocTaBa aoajkch hmetb he 6oAee 10-th % aAb(J>a-4>a3bi (AeAbTa-4)eppht); — 2. HarpeB hep2kabeioihhx ctaaen aoajkch GbiTb b npeanncahhom anana30hy TeMn-pbi (1160—1230 °C) h bpemchh. HccAeAOBaHHa, BbinoAHeHbie Ha CTaAH MapKH č. 4570 (Prokron 2 sp.) noKa3aAH, hto npn ČAaronpHHTHOH KOM0HHaHHH xnMHHecKoro cocTaBa BHyTpH npeAnncaHHbix npeAeAax ecTb B03M0>KH0CTb aah no-av^chhh pacnAaBa c hh3khm coAep>kahhem aeabta-c^eppnTa h, TaKHM o6pa3QM yAYHHieHHH nAaCTHHHOCTfl CTaAH.